[推荐]火灾模拟的数值模型

jerryzhq

    总体说来，火灾模型包括不确定性模型和确定性模型两大类。不确定性模型把火灾看成一系列连续出现的状态（或事件），而由一种状态转变到另一种状态有一定的概率；通过这种概率的分析计算，可以得到出现某种结果状态的概率分布。不确定性模型主要包括统计模型和随机模型。而出于定量分析和计算的需要，火灾过程的确定性模型更受关注。
    由于火灾过程的复杂性，根据所模拟的现象、研究层次和方法的不同，可将火灾过程的确定性模型分为以下五个方面：
    ①专家系统（Expert System）
    专家系统的主要思想是将实验研究的一些经验性模型或是将一些经过简化处理的半经验模型加上重要的热物性数据编制成软件，以供一些从事消防事业的非研究人员使用、操作简单、速度快，但专家系统往往只是针对火灾过程的某一局部问题，是对火灾过程的浅层次的经验模拟。常用的专家系统有美国标准与技术研究院（NIST）开发的FPETOOL模型和丹麦火灾研究所编制的ARGOS模型。
    ②区域模拟（Zone Model）
    20世纪70年代，美国哈佛大学的Emmons教授提出了区域模拟思想：把所研究的受限空间划分为不同的区域，并假设每个区域内的状态参数是均匀一致的，而质量、能量的交换只发生在区域与区域之间、区域与边界之间以及它们与火源之间。从这一思想出发，根据质量、能量守恒原理可以推导出一组常微分方程；而区域、边界及火源之间的质量、能量交换则是通过方程中所出现的各个源项体现出来。目前，世界各国建立了许多室内火灾区域模拟的模型，以CFAST、ASET、BR12、CCFM-VENTS、CFIRE-X、COMPBRN、HAVARD MARD4以及中国科学技术大学的FAC3等为典型代表。区域模拟是一种半物理模拟，在一定程度上兼顾了计算机模拟的可靠性和经济性，在消防工程界具有广泛的应用。但是区域模拟忽略了区域内部的运动过程，不能反映湍流等输运过程以及流场参数的变化，只抓住了火灾的宏观特征，因而是相当近似和粗糙的。
     ③网络模拟（Network Model）
     网络模拟把每一个受限空间视为一个单元体，假设每个单元体内部的参数（如温度、组分浓度等）是均匀的，火灾过程的发展表现为构成整个模拟空间的各单位内部参数的变化，从而将这些内部空间划分为相互连接的网络节点。模型在分析各节点之间的质量、能量守恒基础上构造出各网络节点状态变化的控制方程，然后求解出节点状态随时间的变化。通常用节点温度、烟气浓度与时间的特性函数来描述火情。网络模型的输入数据为气象数据、建筑特征、火源特性以及室内特性等。目前国内外常用的网络模型主要有：日本的BRI、加拿大的IRC、英国的BRE、美国的NIST、荷兰的TNO。网络模型主要应用于受限空间数目较多、边界条件复杂（如高层建筑、井巷网络）的火灾研究。由于假设了烟气与空气的流动特性相似，空气与烟气混合均匀，所以网络模型只适用于远离火场的区域。
    ④场模拟（Field Model）
    火灾的场模拟研究是利用计算机求解火灾过程中各参数（如速度、温度、组分浓度等）的空间分布及其随时间的变化，是一种物理模拟。场模拟的理论基础是自然界普遍成立的质量守恒、动量守恒、能量守恒以及化学反应定律等。自从1983年Kumar首先建立火灾场模型以来，出现了许多场模拟的大型通用商业软件和火灾专用软件。通用商业软件以PHOENICS、FLUENT、CFX、STAR-CD等为代表，都具有非常友好的用户界面形式和方便的前后处理系统。用于火灾数值模拟的专用软件有瑞典Lund大学的SOFIE、美国NIST开发的FDS和英国的JASMINE等，它们的特点是针对性较强。场模拟可以得到比较详细的物理量的时空分布，能精细地体现火灾现象；但是需要较高的计算机能力和较长的运算时间，在工程实际当中难以完全采用这种方法来模拟火灾过程。
    ⑤混合模拟（Hybrid Model）
    由于场模拟、区域模拟和网络模拟各有自己的不足和优点，根据具体的研究对象，将它们中的两种（场区模型）或两种以上（场区网模型）的模型结合起来使用，可以节约计算资源，得到准确的计算结果。目前，混合模拟已成功应用于高层建筑火灾、矿井火灾、隧道火灾等场合。